В физической химии[ненадежный источник?] и материаловедении текстура — это распределение кристаллографических ориентаций поликристаллического образца (она также является частью геологической ткани). Образец, в котором эти ориентации полностью случайны, считается не имеющим отчетливой текстуры. Если кристаллографические ориентации не случайны, но имеют некоторую предпочтительную ориентацию, то образец имеет слабую, среднюю или сильную текстуру. Степень зависит от процента кристаллов, имеющих предпочтительную ориентацию.
Текстура присутствует практически во всех инженерных материалах и может иметь большое влияние на свойства материалов. Текстура материалов формируется в ходе термомеханических процессов, например, во время производственных процессов, например. катание. Следовательно, за процессом прокатки часто следует термическая обработка для уменьшения количества нежелательной текстуры. Управление производственным процессом в сочетании с определением характеристик текстуры и микроструктуры материала помогает определить свойства материалов, то есть взаимосвязь обработка-микроструктура-текстура-свойство. Кроме того, геологические породы имеют текстуру из-за термомеханической истории процессов формирования.
Один крайний случай — полное отсутствие текстуры: твердое тело с совершенно случайной ориентацией кристаллитов будет иметь изотропные свойства в масштабах длины, значительно превышающих размер кристаллитов. Противоположная крайность — идеальный монокристалл, который, вероятно, имеет анизотропные свойства по геометрической необходимости.
Характеристика и представление
Текстуру можно определить различными методами. Некоторые методы позволяют проводить количественный анализ текстуры, в то время как другие являются только качественными. Среди количественных методов наиболее широко используется рентгеновская дифракция с использованием текстурных гониометров, за которой следует метод дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD) в сканирующих электронных микроскопах. Качественный анализ можно выполнить с помощью фотографии Лауэ, простой рентгеновской дифракции или с помощью поляризованного микроскопа. Нейтронная и синхротронная высокоэнергетическая рентгеновская дифракция подходят для определения текстуры объемных материалов и анализа in situ, тогда как лабораторные рентгеновские дифракционные приборы больше подходят для анализа текстуры тонких пленок.
Текстура часто представляется с помощью полюсной фигуры, в которой указанная кристаллографическая ось (или полюс) от каждого из представительного числа кристаллитов отображается в стереографической проекции вместе с направлениями, соответствующими истории обработки материала. Эти направления определяют так называемую систему отсчета образца и, поскольку исследование текстур началось с холодной обработки металлов, обычно называются направлением прокатки RD, поперечным направлением TD и нормальным направлением ND. Для тянутых металлических проводов цилиндрическая ось волокна оказывается направлением образца, вокруг которого обычно наблюдается предпочтительная ориентация (см. ниже).
Обычные текстуры
Существует несколько текстур, которые обычно встречаются в обработанных (кубических) материалах. Они названы либо по имени ученого, который их открыл, либо по названию материала, в котором они чаще всего встречаются. Для упрощения они приведены в индексах Миллера.
Функция распределения ориентации
Полное трехмерное представление кристаллографической текстуры дается функцией распределения ориентации (ODF), которая может быть получена путем оценки набора полюсных фигур или дифракционных картин. Впоследствии все полюсные фигуры могут быть получены из ODF.
ODF определяется как объемная доля зерен с определенной ориентацией .
Ориентация обычно определяется с помощью трех углов Эйлера. Углы Эйлера затем описывают переход от системы отсчета образца в кристаллографическую систему отсчета каждого отдельного зерна поликристалла. Таким образом, мы получаем большой набор различных углов Эйлера, распределение которых описывается ODF.
Функция распределения ориентации, ODF, не может быть измерена напрямую ни одним методом. Традиционно и рентгеновская дифракция, и EBSD могут собирать полюсные фигуры. Существуют различные методики для получения ODF из полюсных фигур или данных в целом. Их можно классифицировать на основе того, как они представляют ODF. Некоторые представляют ODF как функцию, сумму функций или разлагают ее в ряд гармонических функций. Другие, известные как дискретные методы, делят пространство ODF на ячейки и фокусируются на определении значения ODF в каждой ячейке.
Происхождение
В проволоке и волокне все кристаллы имеют тенденцию иметь почти одинаковую ориентацию в осевом направлении, но почти случайную радиальную ориентацию. Наиболее известными исключениями из этого правила являются стекловолокно, не имеющее кристаллической структуры, и углеродное волокно, в котором кристаллическая анизотропия настолько велика, что качественная нить будет представлять собой искаженный монокристалл с приблизительно цилиндрической симметрией (часто сравниваемый с рулетом желе). Монокристаллические волокна также не являются редкостью.
Изготовление металлического листа часто включает сжатие в одном направлении и, при эффективных прокатных операциях, растяжение в другом, что может ориентировать кристаллиты в обеих осях с помощью процесса, известного как поток зерна. Однако холодная обработка разрушает большую часть кристаллического порядка, и новые кристаллиты, которые возникают при отжиге, обычно имеют другую текстуру. Контроль текстуры чрезвычайно важен при изготовлении листа кремнистой стали для сердечников трансформаторов (для уменьшения магнитного гистерезиса) и алюминиевых банок (поскольку глубокая вытяжка требует чрезвычайной и относительно однородной пластичности).
Текстура в керамике обычно возникает из-за того, что кристаллиты в пульпе имеют форму, которая зависит от кристаллической ориентации, часто игольчатую или пластинчатую. Эти частицы выравниваются по мере того, как вода покидает пульпу или по мере образования глины.
Литье или другие переходы из жидкого состояния в твердое (например, осаждение тонкой пленки) производят текстурированные твердые тела, когда есть достаточно времени и энергии активации для того, чтобы атомы нашли места в существующих кристаллах, а не конденсировались в виде аморфного твердого тела или начинали новые кристаллы случайной ориентации. Некоторые грани кристалла (часто плотно упакованные плоскости) растут быстрее других, и кристаллиты, для которых одна из этих плоскостей обращена в направлении роста, обычно вытесняют кристаллы в других ориентациях. В крайнем случае, только один кристалл выживет после определенной длины: это используется в процессе Чохральского (если не используется затравочный кристалл) и при литье лопаток турбин и других деталей, чувствительных к ползучести.
Текстура и свойства материалов
Свойства материала, такие как прочность, химическая активность, стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, свариваемость, деформационное поведение, стойкость к радиационному повреждению и магнитная восприимчивость, могут сильно зависеть от текстуры материала и связанных с этим изменений в микроструктуре. Во многих материалах свойства зависят от текстуры, и развитие неблагоприятных текстур при изготовлении или использовании материала может создавать слабые места, которые могут инициировать или усугублять отказы. Детали могут не работать из-за неблагоприятных текстур в материалах их компонентов. Отказы могут коррелировать с кристаллическими текстурами, образованными во время изготовления или использования этого компонента. Следовательно, рассмотрение текстур, которые присутствуют и могут образоваться в спроектированных компонентах во время использования, может иметь решающее значение при принятии решений о выборе некоторых материалов и методов, используемых для изготовления деталей из этих материалов. Когда детали выходят из строя во время использования или неправильного обращения, понимание текстур, которые возникают внутри этих деталей, может иметь решающее значение для осмысленной интерпретации данных анализа отказов.
Тонкопленочные текстуры
В результате эффектов подложки, создающих предпочтительные ориентации кристаллитов, в тонких пленках, как правило, возникают выраженные текстуры. Современные технологические устройства в значительной степени полагаются на поликристаллические тонкие пленки с толщиной в нанометровом и микрометровом диапазонах. Это справедливо, например, для всех микроэлектронных и большинства оптоэлектронных систем или сенсорных и сверхпроводящих слоев. Большинство текстур тонких пленок можно отнести к одному из двух различных типов: (1) для так называемых волоконных текстур ориентация определенной плоскости решетки преимущественно параллельна плоскости подложки; (2) в двуосных текстурах ориентация кристаллитов в плоскости также имеет тенденцию выравниваться относительно образца. Последнее явление соответственно наблюдается в процессах почти эпитаксиального роста, где определенные кристаллографические оси кристаллов в слое имеют тенденцию выравниваться вдоль определенной кристаллографической ориентации (монокристаллической) подложки.
Адаптация текстуры по требованию стала важной задачей в технологии тонких пленок. Например, в случае оксидных соединений, предназначенных для прозрачных проводящих пленок или устройств на поверхностных акустических волнах (SAW), полярная ось должна быть выровнена вдоль нормали подложки. Другой пример — кабели из высокотемпературных сверхпроводников, которые разрабатываются как оксидные многослойные системы, нанесенные на металлические ленты. Решающей предпосылкой для достижения достаточно больших критических токов оказалась настройка биаксиальной текстуры в слоях YBa2Cu3O7−δ.
Степень текстуры часто подвергается эволюции в процессе роста тонкой пленки, и наиболее выраженные текстуры получаются только после того, как слой достигает определенной толщины. Таким образом, производители тонких пленок нуждаются в информации о профиле текстуры или градиенте текстуры для оптимизации процесса осаждения. Однако определение градиентов текстуры с помощью рентгеновского рассеяния не является простым, поскольку разные глубины образца вносят свой вклад в сигнал. Методы, которые позволяют адекватно деконволюционировать интенсивность дифракции, были разработаны только недавно.